尖晶石型Li4Ti5O12材料的改性制備及其在鋰離子電池中的應用.pdf

1、尖晶石型的Li4Ti5O12是一種零應變嵌鋰材料，具有優(yōu)異的循環(huán)性能。其氧化還原電位相對較高，可以有效地避免金屬鋰的析出。另外，Li4Ti5O12還具有熱穩(wěn)定性好、原料來源廣泛、價格低廉等優(yōu)點，是一種極具應用潛力的高功率動力鋰離子電池負極材料。但是，Li4Ti5O12的電子導電率和離子導電性較低，極大地限制了其實際應用。本論文采用導電聚合物PEDOT包覆、Ti3+自摻雜以及與石墨烯復合制備自支撐電極等方法，改善Li4Ti5O12材料的倍

2、率性能，具體研究內容如下：
　?。?）通過水熱法制備Li4Ti5O12納米棒，進一步通過液相化學聚合在其表面包覆高導電性的導電聚合物PEDOT。一維納米棒結構能夠有效地縮短材料中鋰離子的擴散路徑，增大電極和電解液之間的接觸面積，促進鋰離子在活性物質與電解液之間的傳輸。而PEDOT均勻的包覆能夠在內部形成導電網(wǎng)絡，提高材料的電子導電性。電化學測試結果顯示，PEDOT包覆的Li4Ti5O12納米棒（Li4Ti5O12/PEDOT）具有

3、優(yōu)異的電化學儲鋰行為，在10 C的大倍率下，Li4Ti5O12/PEDOT電極的放電容量可達135.2 mA h g-1；在1 C的電流密度下循環(huán)100次，其容量保持率高達99.5％。
　?。?）以Ti2O3為原料，采用固相法制備得到Ti3+自摻雜的Li4Ti5O12材料，并研究了其結構對于電化學性能的影響。ESR、XRD、XPS等測試結果證明，在Ti3+自摻雜的Li4Ti5O12材料中半徑較大的Ti3+取代了部分Ti4+，產(chǎn)生了

4、Ti3+/Ti4+混合態(tài)位點和氧空位，提高了材料的電子導電性，并有利于離子的擴散和遷移。另外，Ti3+的摻雜并不會破壞Li4Ti5O12的結構，從而在保持材料優(yōu)異的循環(huán)性能的同時有效地改善了其倍率性能。在20 C的大電流密度下，Ti3+自摻雜的Li4Ti5O12樣品具有117.6 mAh g-1的可逆容量；在10 C下循環(huán)500次，其容量保持率高達97.0%。
　?。?）通過真空抽濾和后續(xù)熱處理還原的方法將Li4Ti5O12納米纖

5、維與石墨烯復合，制備了類三明治結構的Li4Ti5O12/石墨烯（S-LTO-RGO）自支撐電極材料。Li4Ti5O12納米纖維分布在石墨烯片層間，有效地阻止了石墨烯的團聚。高導電性的石墨烯和Li4Ti5O12納米纖維形成三維導電網(wǎng)絡，有效地促進了鋰離子的擴散和電子的傳輸。另外，該自支撐電極材料在組裝電池的過程中無需加入粘結劑、導電劑和集流體，降低了電池的內阻和極化。在10 C的大電流密度下，S-LTO-RGO自支撐電極具有131.7 m